降低热插拔控制电路的电路电流

当热插拔控制电路的输出发生短路时,会触发内部断路器功能并断开电路.但在内部断路器做出反应之前,刚开始的短路电流可能达到数百安培.通常热插拔控制器断路器的延迟时间是200至400ns,再加上栅极下拉电流有限,栅极关闭时间可能需要10至50μs.在此期间,会产生较大的短路电流.

本应用笔记给出了一个简单的外部电路,它能将初始电流尖峰降至最小并在200至500ns内隔离短路故障.

典型热插拔电路

我们来考察采用MAX4272构建的+12V、6A典型热插拔控制电路(图1).根据MAX4272的规格指标,可知其包含触发门限分别为50mV和200mV的低速和快速比较器(整个温度范围内,容限分别为43.5至56mV和180至220mV).触发电流大小通常为工作电流的1.5至2.0倍,选择RSENSE = 5m .RSENSE允许有5%的容限,过载条件下低速比较器的触发电流范围是8.28至11.76A;发生短路时,快速比较器的触发电流范围是34至46.2A.

低速比较器的最低触发门限比正常工作电流高38%,快速比较器的短路触发门限是工作电流的6至8倍.

快速比较器的延迟时间为350ns,这一时段的短路电流尖峰仅受限于电路阻抗.此后电流缓慢下降,直至完全隔离短路故障,3mA栅极下拉电流限制了MOSFET M1栅极电容(3至4nF)的放电速率.短路电流在15至40μs内缓慢减小,与此同时,栅极电压从19V被拉到接近地电位.

峰值短路电流

最初350ns内的峰值电流由以下因素决定:

(a) 电源ESR,(b) 短路状态,(c) RSENSE阻值,(d) M1的RDS(ON),(e) M1的ID(ON).

以上参数均采用最接近实际情况的取值,可以计算出短路时电路的总阻抗:

(电源ESR 4m ) + (短路环节 3m ) + (RSENSE = 5m ) + (RD(ON) 4m ) 16m .

这时,短暂的峰值电流为:ISC 750A,并取决于电源的储能电容(带2200μF电容的低ESR背板以750A电流放电时,1μs内电压仅降低340mV).这种情况下,实际的峰值ISC会由M1的ID(ON)限制到400A左右.

ID(ON)取决于VGS,因此有必要检查电路,以确定这一时段的栅-源电压.MAX4272包含一个内部电荷泵,可使正常工作时的栅极电压高出VIN约7V.因而MOS管导通时VGS = 7V.

短路的第二个影响是它实际上增加了VGS.短路在M1的漏-源之间引入了一个电压阶跃 -等于总输入电压的一部分.由于M1的RD(ON)约为预估的短路总阻抗的1/3,此时施加的VDS约为12V阶跃电压的1/3.由漏-栅电容cdg和栅-源电容cgs组成的分压器会将该阶跃电压的一部分转移到栅极.经过适当计算,可知引入的额外 VGS为300至500mV,但短路期间进行的测试表明该值可高达 VGS = +3V.

至此可以清楚地看出,牢固可靠的短路会在几微秒至几十微秒内产生数百安培的电流.

设计者可能希望将Isc峰值限制在50A,持续时间小于1μs,但如果不增加更快速的比较器和栅极下拉电路的话,这一要求是不切实际的.然而,可以考虑对电路做一些简单的修改.

在内部快速比较器最初的350ns响应时间内,电流会由ID(ON)限制在几百安以内,此时可以通过增加一个简单的外部电路来加快栅极放电,从而将短路持续时间限制< ?μs.

或者用一个稍复杂的外部电路将Isc峰值限制在100A范围内,并且持续时间< 200ns.

快速栅极下拉电路限制大短路电流的持续时间

只需增加一个PNP型达林顿管Q1,即可极大地缩短大短路电流的持续时间,如图2所示.二极管D1允许栅极在导通状态下正常充电,而关断时控制器的3mA栅极放电电流改为直接驱动Q1的基极.然后Q1在约100ns时间内迅速完成栅极放电.这样,发生短路时的大电流持续时间大为缩短,仅略大于快速比较器350ns的延迟时间.

快速限流电路

借助图3所示的电路,可以将短路电流限制在约100A以下,持续时间小于200ns.当RSENSE两端的电压差达到约600mV时,PNP型晶体管Q1a将触发并驱动NPN型晶体管Q1b,从而使M1的栅极电容快速放电.

M1栅极和源极之间的C2可进一步减小发生短路时作用在栅极上的正向瞬态阶跃电压,该电容的取值范围为10nF至100nF.

齐纳二极管D1用来将VGS限制到7V (MAX4272提供该电压)以下的某个值.

虽然齐纳二极管D1在偏置电流为5mA时的额定值为5.1V,但在本电路中,MAX4272仅能输出100μA的栅极充电电流(齐纳二极管偏置电流),因此D1会将VGS限制在3.4V左右.受到限制的VGS可降低ID(ON),当然RD(ON)会增大一些.根据MOS管的数据资料可知:VGS为3.4V时RD(ON)为5m ,VGS为7V时RD(ON)为3m .这样可以更快地关断M1.

D1和C2也可以用在图1和图2的电路中,以降低短路时的ID(ON).